30/10/2012

1

Membrane _Biologiche

Biotec_2012

Struttura delle membrane

http://en.wikibooks.org/wiki/Biochemistry/Lipids_And_The_Plasma_Membrane

Doppio strato lipidico («bilayer»)

Impedisce che i due ambienti acquosi si 

mescolino

Unità di misura per riferimentoMetro – mMilimetro – mm = 10‐3 mMicron ‐ µm: 10‐6 mNanometro – nm: 10‐9 m = 10‐3 µm [millimicron, obsoleto]Ångstrom – Å = 10‐10 m = 10‐1 nm

Ångstrom: Unità spesso usata in Scienze Naturali e tecnologia per esprimere le dimensioni di atomi, molecule, e strutture biologiche microscopiche, le dimensioni dei legami chimici, la disposizione degli atomi nei cristalli, la lunghezza d’onda della radiazione elettromagnetica e le dimensioni dei component dei circuiti integrati (elettronica). 

Giunzione fra due cellule

Struttura “trilaminare” delle due membrane cellulari.Gartner, Istologia

30/10/2012

2

Nell’ambito di ogni foglietto, i fosfolipidi hanno libertà di movimento

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9928/figure/A327/

Il movimento da un foglietto all’altro («flip‐flop»)  è difficoltato dal carattere anfipatico del lipide e ha bassa probabilità di avvenire.Può essere facilitato da appositi enzimi «flippasi»)

Nella membrana plasmatica la distribuzione dei fosfolipidi è assimmetica

Asimmetria della membrana

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9898/figure/A1970/?report=objectonlyhttp://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26871/figure/A1883/?report=objectonly

30/10/2012

3

IMPORTANZA BIOLOGICA DELL’ASSIMMETRIADEI LIPIDI DELLE MEMBRANE (1)

Le composizioni dei due monostrati del bilayer lipidico sono marcatamente diverse.

Es: nella membrana degli eritrociti umani, quasi tutte le molecole lipidiche che hanno la colina  (CH3)3N+CH2CH2OH nel loro gruppo di testa (fosfatidilcolina e sfingomielina) si trovano nel foglietto esterno, mentre quasi tutte le molecole di fosfolipidi che contengono un aminogruppo terminale primario (fosfatidiletanolamina e fosfatidilserina) si trovano nel monostrato interno. Poichè la fosfatidilserina carica negativamente è localizzata nel monostrato interno, vi è una significativa differenza di cariche fra le due metà del doppio strato:

Importanza dell’assimmetria (2)

L’assimmetria dei lipidi è funzionalmente importante. 

Molte proteine del citosol si legano a specifici gruppi di testa di lipidi presenti sul monostrato citosolico del bilayer lipidico. Ad es., l’enzima proteina chinasi C (PKC) viene attivata in risposta a diversi segnali extracellulari. La PKC si lega alla faccia citosolica della membrana plasmatica, dove è concentrata la fosfatidilserina, e richiede questo fosfolipide carico negativamente per la sua attività. 

Importanza dell’assimmetria (3)In altri casi, il gruppo di testa dei lipidi deve essere prima modificato in modo da creare siti di aggancio per le proteine in un posto e momento determinati. 

Ad esempio, il fosfatidilinositolo, che è un fosfolipide poco rappresentato, concentrato nel monostrato citosolico delle membrane cellulari. Diverse chinasi dei lipidi possono legare gruppi fosfato in posizioni distinte dell’anello di inositolo. Gli inositolo‐fosfolipidi fosforilati a questo punto fungono come siti di legame che reclutano proteine specifiche dal citosol fino alla membrana. 

Importanza dell’assimmetria (4)

Un importante esempio di chinasi dei lipidi è la fosfatidilinositolo chinasi (PI3‐chinasi), che è attivata in risposta a segnali extracellulari ed aiuta a reclutare specifiche proteine di segnalamento fino alla faccia citosolica della membrana plasmatica. Proteina chinasi simili fosforilano gli inositolfosfolipidi delle membrane intracellulari e quindi aiutano a reclutare proteine che guidano il trasporto di membrana. I fosfolipidi della membrana plasmatica sono usati anche in un altro modo nella risposta ai senali extracellulari. La membrana plasmatica contiene diverse fosfolipasi che sono attivate da segnali extracellulari per scindere molecole di fosfolipidi specifiche, generando frammenti di queste molecole che fungono da mediatori intracellulari a corta vita. Ad esempio, la fosfolipasi C, scinde un inositolo fosfolipide del monostrato citosolico della membrana plasmatica per generare due frammenti, uno dei quali rimane nella membrana ed aiuta ad attivare la proteina chinasi C, mentre l’altro è rilasciato nel citosol dove stimola il rilascio di Ca2+ dal reticolo endoplasmatico.

Importanza dell’assimmetria (5)

Gli animali sfruttano l’assimmetria dei fosfolipidi delle membrane plasmatiche per distinguere fra cellule vive e cellule morte. Quando una cellula animale subisce la morte cellulare programmata, o apoptosi, la fosfatidilserina, che normalmente è confinata nel monostrato citosolico della membrana plasmatica, viene rapidamente traslocata al monostrato extracellulare. La fosfatidilserina esposta sulla superficie cellulare serve di segnale per indurre le cellule vicine, come ad esempio i macrofagi, a fagocitare la cellula morta e a digerirla. La traslocazione della fosfatidilserina nelle cellule apoptotiche ha luogo mediante due meccanismi:

Il traslocatore di fosfolipidi che normalamente trasporta i lipidi dal monostrato non citosolico al monostrato citosolico viene inattivato.

Una “scramblase” che trasferisce i fosfolipidi non specificamente in entrambe le direzioni fra i due monostrati viene attivata.

30/10/2012

4

http://www.roche‐applied‐science.com/sis/apoptosis/images/products/annexin01.gif

La cellula come condensatore elettrico

Il doppio strato fosfolipidico è un isolante quasi perfettoEsso può separare le cariche elettriche fra l’interno e l’esterno della cellula: la membrana funziona come un condensatore elettricoLe proprietà capacitive della membrana creano una differenza di distribuzione di cariche che porta allo stabilimento di un potenziale di membrana:

Il numero di cariche negative è maggiore all’interno della cellulaLa membrana plasmatica è polarizzata: ha una distribuzione di ioni e di molecole con carica elettrica diversa nei due lati.Le cellule eccitabili possono scaricarsi in quanto hanno pori attraverso i quali gli ioni possono passare: canali ionici “gated”

PROTEINE DI MEMBRANAMembrane

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9898/figure/A1972/http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9898/figure/A1975/?report=objectonly

30/10/2012

5

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9898/figure/A1979/?report=objectonly

Membrana plasmaticomodello del mosaico fluido

Spessore membrana: 5‐8 nm (50‐80 Å)

Modello del mosaico fluido

Le membrane biologiche consistono di proteine inserite in un doppio strato lipidico. 

Le proteine integrali di membrana sono inserite nella membrana, di solito tramite regioni ad α‐elica con 20‐25 aminoacidi idrofobici. 

Alcune proteine transmembrana attraversano la membrana solo una volta, altre hanno diverse regioni che attraversano la membrana. 

Altre proteine sono ancorate alla membrana mediante lipidi che sono legati covalentemente alla catena polipeptidica. 

Queste proteine possono essere ancorate alla faccia extracellulare della membrana plasmatica mediante glicolipidi e alla faccia citosolica mediante acidi grassi o gruppi prenilici. 

Le proteine periferiche non sono inserite nella membrana ma sono attaccate mediante interazioni non covalenti con proteine integrali di membrana.

FUNZIONI PRINCIPALI DELLE MEMBRANE

TUTTE LE CELLULE

Trasporto di nutrienti verso l’internoTrasporto di prodotti di scarto e di proteine di secrezione verso l’esternoImpedimento della perdita di metaboliti necessari alla cellulaMantenimento della composizione ionica e del pH (circa 7.2) adeguati nel 

citosol

ORGANISMI MULTICELLULARI

Zone specializzate contengono glicolipidi e glicoproteine che formano zone di contatto e giunzioni tra cellule per rendere più resistenti i tessuti e permettere lo scambio di metaboliti direttamente tra le celluleZone di ancoraggio con le proteine del citoscheletro: conferiscono forma e 

resistenza alle celluleIdem cellule/matrice extracellulare:  conferiscono forza e rigidità ai tessutiMicroambiente adatto per alcuni enzimi e trasportatori di elettroniZona di accumulo di recettori per molecole di segnalamento (ormoni, 

fattori di crescita, neurotrasmettitori, ecc.)   

Funzione delle proteine delle membrane (2)

30/10/2012

6

Ancore lipidiche

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21570/figure/A618/?report=objectonly

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21570/figure/A612/?report=objectonly

Nella maggior parte delle proteine transmembrana la catena polipeptidica attraversa il doppio strato lipidico 

in conformazione ad α‐elica (1)

Una proteina transmembrana ha sempre un orientamento caratteristico nella membrana.Questo riflette il modo asimmetrico con cui è sintetizzato ed inserito nel doppio strato nel Reticolo Endoplasmatico ruvido e le diverse funzioni dei suoi domini citosolici e non‐citosolici.Questi domini sono separati da segmenti della catena polipeptidica che attraversano la membrana e che sono in contatto con l’ambiente idrofobico del doppio strato lipidico e sono composti in gran parte di reisdui di aminoacidi con catene laterali non polari.

Proteine transmembrana (2)

Poichè i legami peptidici stessi sono polari e dato che l’acqua è assente, tutti i legami peptidici nell’ambito del doppio strato sono portati a formare legami di idrogeno gli uni con gli altri.Il legame di idrogeno fra i legami peptidici viene massimizzato se la catena polipeptidica forma una α‐elica  regolarenell’attraversamento; si ritiene che sia in questo modo che la grande maggioranza dei segmenti che attraversano la membrana delle catene polipeptidiche attraversino il doppio strato.

Proteine transmembrana (3)

Nelle proteine a passo singolo il polipeptide attraversa un’unica volta il doppio fogliettoNelle proteine transmembrana multipasso la catena polipeptidica l’attraversa diverse volte.

30/10/2012

7

Proteine transmembrana (4)Una modalità alternativa per chè i legami peptidici del doppio strato lipidico satisfino alle esigenze di formare ponti di idrogeno è che i segmenti molteplici delle catene polipeptidiche si dispongano a β‐foglietto in modo da formare un barile chiuso (il cosiddetto barile‐β) Questa forma di struttura multipasso è tipica delle proteine porine.La forte tendenza a massimizzare i ponti di idrogeno in assenza di acqua significa inoltre che una catena polipeptidica che entra nel doppio strato probabilmente lo attraversa integralmente prima di cambiare direzione, dato che il piegamento della catena implica la perdita delle interazioni regolari necessarie per la formazione dei legami di idrogeno.

Glicoproteine

• Trattate lezione sulle proteine

Becker

30/10/2012

8

Tecnica della criofrattura per individuareposizione delle proteine di membrana «Freeze fracture» (Criodecapaggio)